同济大学祖国庆课题组Nat.Commun./AFM: 可拉伸负泊松比多孔超材料

可拉伸气凝胶与泡沫多孔材料具有独特的物理化学性质，在柔性应变/压力传感器、可拉伸导体、柔性储能器件、可拉伸电磁屏蔽材料、可拉伸热管理材料等领域展现出良好的应用潜力。负泊松比超材料在压缩时横向收缩，拉伸时横向膨胀，这种反常的机械性能赋予其独特的形变能力与优异的韧性，使其在减震、空气过滤、结构紧固、可植入医用材料、防弹材料等特殊领域发挥作用。然而，当前大多数气凝胶及泡沫多孔材料拉伸时易发生结构断裂，且对于高可拉伸负泊松比多孔超材料的研究相对较少。

近期，同济大学材料科学与工程学院祖国庆课题组受中国传统折纸工艺启发，采用单轴/双轴/三轴热压策略，调控气凝胶多孔结构，构建了具有折叠和内凹多孔结构的高可拉伸、低/负泊松比还原氧化石墨烯（rGO）/聚合物基多孔超材料（图1）。

图1 可拉伸负泊松比多孔超材料制备与应用

单轴热压得到的折叠多孔结构可使多孔材料拉伸时具有低泊松比（0.004～0.016），单向拉伸可达1200%；双轴/三轴热压得到的内凹多孔结构可使多孔材料具有双向/三向拉伸负泊松比（-0.032～-0.174）以及高的双向/三向可拉伸性（高达300%）（图2）。

图2多孔超材料的形貌、可拉伸性和泊松比

原位拉伸微观形貌表征揭示了多孔超材料在拉伸过程中多孔结构的变化趋势。在此基础上，利用有限元分析力学模拟，研究了单轴/双轴热压过程与拉伸过程中的多孔结构、应力/应变以及泊松比的变化。以上形貌表征与理论计算相一致，证明了测试结果的合理性（图3）。

图3多孔超材料拉伸原位形貌及其在热压与拉伸过程中的有限元分析

得益于其高可拉伸性、高可压缩性、高弹性以及导电性，rGO/聚合物复合多孔超材料可应用于宽响应范围应变（0-1200%）/压力（0-9.5 MPa）传感器，能够实现人体关节运动、气球膨胀、拉力器形变的监测以及机械手的手势识别（图4）。传感器在400%的拉伸应变下循环1000圈，其电阻响应信号相对稳定，具有良好的应用潜力。

图4 rGO/聚合物复合多孔超材料的应变/压力传感性能和应用

传统的隔热和电磁屏蔽多孔材料通常仅有固定的隔热和电磁屏蔽性能，难以进行动态调控。而rGO/聚合物复合多孔超材料的高拉伸性使其可通过简单的拉伸来改变孔径和电导率，进而可逆调节其热导率和电磁屏蔽性能，实现智能热管理和智能电磁屏蔽（图5）。

图5 rGO/聚合物复合多孔超材料可调的热管理与电磁屏蔽性能

该工作以“Stretchable and negative-Poisson-ratio porous metamaterials”为题发表在《Nature Communications》期刊上（10.1038/s41467-024-44707-3）。文章第一作者为博士生张小宇，通讯作者为祖国庆。该研究得到国家自然科学基金、上海社会发展科技攻关项目等资助。

除此之外，本文所述热压策略具有普适性。近期，祖国庆课题组将聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）引入MXene/聚乙烯醇、MXene/壳聚糖与MXene/羧甲基纤维素气凝胶中，显著提高气凝胶骨架强度和弹性。同样对MXene基气凝胶进行单轴与双轴热压处理，制备了具有近零泊松比（0～0.009）和负泊松比（-0.18～-0.27）的高可拉伸MXene基气凝胶超材料（断裂伸长率高达427%）（图6）。所得气凝胶超材料可用于宽范围压力传感器（1 Pa～1 MPa）、应变传感器（0～300%）、高可拉伸摩擦纳米发电机，以及通过拉伸实现可调的隔热和焦耳热性能的智能热管理器件。

图6 可拉伸MXene基气凝胶超材料的制备与应用

该工作以“Highly stretchable mxene-based meta-aerogels with near-zero and negative Poisson’s ratios”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上（10.1002/adfm.202308537）。文章第一作者为硕士生孙启，通讯作者为祖国庆。

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